Figlio di Nerone di Nigi e Leonarda di Lorenzo Cresci, nacque a Firenze il 3 giugno 1403. Il padre era un mercante della lana e Diotisalvi svolse la stessa attività.
Diotisalvi e la sua famiglia sostennero Cosimo de'Medici il Vecchio e lo aiutarono a rientrare dall'esilio nel 1434. In seguito Diotisalvi divenne uno dei principali collaboratori di Cosimo, rivestì numerose cariche cittadine e svolse missioni diplomatiche a Venezia e a Milano presso Francesco Sforza. Fu due volte priore, due volte gonfaloniere di Giustizia, membro di tutte le balìe fino al 1466.
Nel 1464 la morte di Cosimo cambiò la situazione politica fiorentina facendo crollare i delicati equilibri creati dal Medici che il figlio Piero non seppe mantenere. La fazione antimedicea, detta "fazione del poggio" che aveva il suo leader in Luca Pitti, cercava di estromettere i Medici dal potere e Diotisalvi vi aderì.
Nel 1466 Luca Pitti e i suoi compagni di partito organizzarono una congiura ai danni di Piero de'Medici ma il loro piano venne scoperto, il colpo di stato fallì e tutti i congiurati, ad eccezione del Pitti che si riconciliò coni Medici, vennero esiliati. Diotisalvi non andò in Sicilia come la sua condanna prevedeva ma si rifugiò a Malpaga nel Bergamasco presso il condottiero Bartolomeo Colleoni e fu dichiarato ribelle. Intorno a lui si riunirono molti esuli fiorentini e dopo vari tentativi riuscirono ad organizzare un esercito con aiuti veneziani ed estensi e ne affidarono il comando al Colleoni per agire contro Firenze. Ne nacque una guerra che dopo episodi inconcludenti si concluse con un trattato di pace che lasciò la situazione inalterata.
Diotisalvi Neroni, sul cui capo i Fiorentini avevano posto una taglia consistente, si rifugiò prima a Ferrara presso Borso d'Este, poi a Roma dove il papa Sisto IV era aperto conflitto con i Medici. Qui morì il 28 luglio 1482 e fu sepolto nella chiesa di S.Maria sopra Minerva.